埋弧焊在震動壓路機鋼輪上的應用

■ 張瑞臣，郭超，隋鳴，劉新華，郭亮

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1. 概述

埋弧焊是焊接生產中應用最廣泛的工藝方法之一，在工程機械、造船、鍋爐壓力容器、起重機械等制造中都是主要的焊接生產手段。由于焊接熔深大、生產效率高、機械化程度高，因而特別適用于中厚板長焊縫的焊接。

目前大多工程機械制造商利用CO2氣體保護焊或MAG焊來焊接此焊縫，為控制焊接變形，只能采用多層多道焊接，至少要焊5層，焊接量較大，工時較長，工作效率低。而我公司采用先進埋弧焊技術，通過焊接工藝試驗，選擇合理的焊接參數及焊劑，來保證焊接質量，提高生產效率。

2. 埋弧焊的結構特點、原理

（1）埋弧焊的結構特點 埋弧焊的結構由4個部分組成（見圖1）：①焊接電源接在導電嘴和工件之間用來產生電弧。②焊絲由焊絲盤經送絲機構和導電嘴送入焊接區。③顆粒狀焊劑由焊劑漏斗經軟管均勻的堆敷到焊縫接口區。④焊絲及送絲機構、焊劑漏斗和焊接控制盤等通常裝在一臺小車上，以實現焊接電弧的移動。

埋弧焊的主要優點如下：

第一，生產效率高：一是電弧掩埋在焊劑層下燃燒，沒有保護氣散熱損失，也基本沒有電弧輻射能量損失，電弧熱的有效利用率高達90%以上，在各種電弧焊方法中是熱效率最高的。二是焊絲上焊接電流的提供點很接近電弧，焊絲電阻產熱量少，可以在大電流、高電流密度下以很大的焊絲熔化速度進行焊接。由于母材的熔深很大，因而對厚板和中厚板可以進行快速焊接或不開坡口焊接，焊接生產效率很高。

第二，焊接金屬的品質良好、穩定：電弧及熔化金屬受到焊劑的保護，沒有空氣污染。通過自動控制能夠保持弧長處于一定數值，因此所形成的焊接金屬品質良好，而且也很穩定。

第三，焊縫成形非常美觀：熔化金屬凝固過程中受到熔渣的覆蓋，能夠得到美觀的焊縫成形。

第四，焊接成本低：由于生產效率高、缺陷少、品質穩定，所以焊接成本與焊條電弧焊相比有大幅度降低。

第五，操作環境好：雖然是大電流焊接，但是由于電弧處于焊劑中，幾乎沒有有害光線、煙塵、輻射熱等對操作者的影響。

埋弧焊的主要缺點如下：

第一，設備費用高：由于需要大容量配電設備和較高售價的焊接裝置，與焊條電弧焊及半自動電弧焊相比，其設備費用較高。

第二，對坡口精度有要求：這是熔深較大的自動焊接所固有的問題。在坡口精度較差時需要通過焊條電弧焊進行密封焊接，或者是采用適當的襯墊。

圖1 埋弧焊示意

第三，焊接姿勢受到限制：由于采用的是顆粒狀焊劑，因此只限于進行平焊和橫焊，其他位置的焊接需要采用特殊性能的焊劑或承托焊劑的輔助裝備。

第四，適用材料：埋弧焊的應用對象還主要限定在碳素鋼、低合金鋼、不銹鋼等材料的焊接上，而焊接有色金屬存在困難。

第五，焊縫金屬的沖擊韌性普遍不好：單層大電流焊接下焊縫金屬晶粒粗大，缺乏韌性。在要求焊縫具有較高韌性時，應在焊絲、焊劑的組合上作出選擇，或者是采用多層多道焊，即對焊接材料、焊接方法進行探討。

第六，主要用于自動焊、長焊縫、中等以上厚板的焊接。

（2）埋弧焊原理 埋弧焊的原理是預先把顆粒狀焊劑散布在焊接線上，焊絲通過送絲裝置，自動連續地向焊劑中送進，在焊絲前端與母材間引燃電弧，進行自動電弧焊。焊劑在電弧前方從焊劑料斗中漏出，覆蓋著電弧和熔化金屬，隔絕空氣起到保護作用，同時也起到穩定電弧的作用。此外，焊劑受電弧熱而熔化，成為熔渣并與熔化金屬反應，可以獲得良好焊縫金屬，以及美觀、均勻的焊縫外形。

3. 埋弧焊在震動鋼輪上的應用

（1）震動鋼輪的特點 壓路機屬于道路施工及維護中一種路面壓實設備，震動鋼輪是核心部件之一，由中厚鋼板焊接而成，其重量占振動重量的80%左右，由鋼輪鋼圈、輻板等焊接、加工而成，要求抗變形、耐磨，需具有一定的剛度、強度和圓度，滿足路基、路面平整度、強度等壓實要求。

圖2 鋼輪焊縫示意

震動鋼輪兩側環焊縫（見圖2）是由板厚60mm的外筒（直徑1600mm）與大幅板（均為Q345低碳鋼）對接而成，焊接接頭為12mm×45°的坡口，外加15mm角焊縫，焊縫長度5024mm，非常適合埋弧焊焊接。其焊接質量好壞直接影響整機工作參數、動力性能，同時造成無法保證路面平整度以及壓實質量。

（2）埋弧焊焊接工藝 Q345屬于低碳合金鋼鋼材，綜合性能好，冷沖壓性能、焊接性能和可切削性能好，尤其是低溫環境下， 沖擊韌性很好。根據GB/T1591—2008標準對其的化學性能和力學性能要求作了規定，如表1和表2所示。表2可知，成分中由于V、Nb、Ti的加入，能增加鋼材強度，同時又能細化晶粒，減少鋼材的過熱傾向，具有良好的塑性和韌性，可以滿足高強度工程機械結構需要。

Q345是一種低合金高強度鋼，含有一定量的合金元素集微合金化元素，其焊接性與碳鋼有差別，主要是焊接熱影響區組織與性能的變化對焊接熱輸入較敏感，熱影響區淬硬傾向增大，對氫致裂紋敏感性較大，含有碳、氮化合物形成元素的低合金高強度鋼還存在再熱裂紋的危險等。對于C-Mn系低合金高強鋼，采用國際焊接學會（IIW）推薦的碳當量公式可得出碳當量為0.4%，說明Q345具有較好的焊接性，因此可不進行焊前預熱。

根據母材的化學成分、力學性能及焊接性分析，焊接參數如表3所示。

經埋弧焊焊接工藝評定，為確保足夠的熔深，焊接第一遍電流、電壓稍大，速度稍慢。在焊接過程中采用紅外線測溫儀測量溫度，保證焊道層間溫度≤150～200℃，焊絲干伸長度在30~40mm之間，控制好焊接的熱輸入，從而保證最優焊接質量。

表1 Q345鋼板化學成分（質量分數） （%）

表2 Q345鋼板力學性能

表3 焊接參數

（3）埋弧焊實際應用 我公司利用埋弧焊效率高、焊縫強度和外觀質量好的優點，采用埋弧焊專機（見圖3，包括埋弧焊操作機和傾斜式焊接滾輪架）進行焊接。該設備配置了焊縫跟蹤器，既能反映變化方向又能反映變化量的大小，具有傳感信號的功能。同時該設備還配置了林肯DC－1000晶閘管埋弧焊機，可靠性高，工作性能穩定，并且具有過電流保護、引弧時慢送絲、自鎖及填弧坑功能。

此設備適用于壓路機所有機型的鋼輪。具體操作過程：首先吊起工件放入滾輪架（見圖4），用鋼絲繩鎖固，并將滾輪架用機械鎖固定，翻轉滾輪與地面呈45°角度，實現船型焊縫進行焊接。然后移動工作臺至滾輪下，轉動焊槍工作臺至焊接位置，焊接滾輪的其中一端，焊縫周圍涂防飛濺液，并且焊槍偏離中心10～15mm，焊嘴抬高40～45mm。焊接完成后，將滾輪架翻轉，焊接另一側焊縫。

圖3 鋼輪埋弧焊專機

圖4 滾輪架操作示意

通過埋弧焊設備的先進性，以及合理的焊接工藝，工人勞動強度大幅度降低，焊接質量明顯提升，鋼輪焊接合格率達到100%，生產效率提升60%，為公司壓路機生產提供了有力的保障。

4. 埋弧焊發展趨勢

埋弧焊技術在得到越來越廣泛應用的同時，也正向更高程度的自動化與智能化方向發展，是保證焊接質量、提高生產效率、改善勞動條件的重要手段，也是未來焊接技術的發展方向。近年來不斷涌現具有代表性的新型埋弧焊工藝，如雙絲和多絲埋弧焊、窄間隙埋弧焊、帶極埋弧焊、添加粉末埋弧焊等。尤其是計算機技術的迅速發展，現代智能控制中的專家系統控制方法和復合控制方法等，在埋弧焊生產過程中將得到廣泛的應用。焊接工藝高效化、焊接電源控制數字化、焊接質量控制智能化、焊接生產過程自動化，已經是國內外焊接加工技術研究和應用的重要發展趨勢。